引言

由于功效高于AB類放大器，D類放大器|0">D類放大器對便攜式音頻應用設計人員來說更具吸引力。但是，也有一些設計者并未在便攜式應用中使用D類放大器，因為傳統(tǒng)的PWM型D類放大器需要龐大且昂貴的濾波元件來降低電磁干擾。Maxim公司的D類放大器擴譜調制技術則讓設計者可以省去這些濾波元件，又不會降低音頻性能或放大功效，因此有效推動了高效D類放大器在便攜式音頻應用中的推廣。

傳統(tǒng)的脈寬調制放大器拓撲

圖1展示了一款典型的PWM型、橋接負載（BTL） D類放大器。PWM方案通常利用一個內部生成的鋸齒波作為其輸入級的基準。其中有一個比較器監(jiān)視模擬輸入電壓，并將其與鋸齒波進行比較。當鋸齒波輸入超過輸入電壓時，比較器輸出就變?yōu)榈碗娖健Ｔ诒容^器輸出端利用一個反相器來生成一個互補的PWM波形，用于控制BTL輸出的第二橋臂。

因為其滿擺幅轉換特性和快速開關頻率會產(chǎn)生較高的射頻（RF）輻射和干擾，PWM型放大器的輸出一般需要龐大的濾波元件。此時一般需要一個LC濾波器來降低這種高頻干擾，并從PWM信號的占空比信息中提取音頻內容。
圖1. 傳統(tǒng)的脈寬調制拓撲
擴譜調制放大器拓撲

有一種方法可以取代這種昂貴的大尺寸LC濾波器方案，那就是改進開關過程，使放大器在保持高效的同時降低EMI|0">EMI。Maxim公司的D類放大器恰好做到了這一點。這種D類放大器采用獨特的、享有專利的擴譜調制模式，以展寬寬帶頻譜分量，從而使揚聲器和電纜輻射的EMI降至最低。圖2通過Maxim公司的MAX9700展示了這種D類放大器的拓撲。

Maxim的D類放大器調制方案采用了一個內部生成的鋸齒波，并在輸入部分采用一個互補信號對。如果沒有互補輸入信號，則會在IC內部產(chǎn)生一個差分輸入。
圖2. 單聲道D類放大器拓撲
比較器監(jiān)視D類放大器的輸入，并將互補的輸入電壓與鋸齒波進行比較。當鋸齒波的幅度超過輸入電壓時，比較器A會輸出一個低電平，將相應的D類輸出（OUT+）拉高至VDD.當鋸齒波的幅度超過其輸入電壓時，比較器B也會輸出低電平，同樣將相應的D類輸出（OUT-）拉高至VDD.兩個D類輸出都被拉高之后，一個處于或非門輸出端的定時器開始計時，時間常數(shù)為tau，相當于1 / （RTON * CTON）。固定時間（tau）結束后，兩個D類輸出都被拉低至GND，而兩個比較器均被復位。這個過程在第二個比較器輸出端產(chǎn)生一個最小脈沖寬度tON （MIN）。隨著輸入電壓的升高或降低，其中一個輸出（第一個比較器會觸發(fā)翻轉）的脈沖持續(xù)時間會增加，而另一個輸出的脈沖持續(xù)時間則維持在tON（MIN），從而導致?lián)P聲器兩端的凈電壓（VOUT+ - VOUT-）發(fā)生改變。
圖3. FFM模式下，Maxim的D類BTL放大器加載輸入信號后的輸出
固定頻率調制和擴譜調制

Maxim的D類放大器采用兩種調制模式：（1） 固定頻率調制（FFM）模式；（2） 擴譜調制模式。FFM模式下（圖3），鋸齒波的周期保持不變，這一點和傳統(tǒng)的PWM方案是一樣的。擴譜調制模式（圖4）下，鋸齒波的周期會逐周期發(fā)生改變（變化范圍達±10%）。圖4對鋸齒波的周期變化進行了夸大，以更好地展示其效果。
圖4. 擴譜調制模式下，Maxim的D類BTL放大器加載輸入信號后的輸出
擴譜調制模式下，其周期的逐周期變化可降低基波頻率下（fo ±10%）的頻譜能量，同時擴展特定帶寬（nfo ±10%，n為正整數(shù)）內的諧波分量。這時大量的頻譜能量并不是集中在開關頻率的各倍頻處，而是在一個隨頻率而增加的帶寬內展寬。頻率超過數(shù)兆赫茲后，寬帶頻譜看起來就像是白噪聲，從而達到降低EMI之目的。在FFM模式下，能量包含在較窄的頻帶內，并具有較高的峰值（圖5a）。而在擴譜調制模式下，能量包含在較寬的頻帶內，峰值能量也得以降低（圖5b）。請注意，圖5b中的三次諧波幾乎被噪聲底遮蓋了。
圖5a. Maxim的FFM模式
圖5b. Maxim的擴譜調制模式
擴譜調制模式將EMI輻射降至最低

Maxim的擴譜調制技術允許D類放大器真正“免除濾波器”，只要揚聲器電纜不是太長。傳統(tǒng)的PWM架構通常需要大尺寸的輸出LC濾波器，以確保使用D類放大器的消費類產(chǎn)品能夠滿足EMI規(guī)范要求。Maxim專有的擴譜調制技術降低了D類放大器的輻射，因此輸出不需要濾波或僅需要最小的濾波元件，即可滿足EMI規(guī)范要求（見附錄）。

EMI規(guī)范要求終端產(chǎn)品必須通過現(xiàn)有的準峰值檢測限制—例如由CE （歐洲共同體，歐洲標準）和FCC （聯(lián)邦通信委員會，美國標準）所制定的限制標準，以確保最低程度的電磁干擾。按照這些機構的定義，電磁干擾會中斷、阻礙或降低電子和/或電氣設備的有效性能。在準峰值檢測中，所測定的信號等級是由信號頻譜分量的重復頻率來衡量的。重復頻率越低，準峰值讀數(shù)也就越低。1

擴譜調制充分利用了準峰值檢測的平均特性，從而大大降低EMI的測量結果（表1）。在擴譜調制模式下，D類放大器的峰值基波頻率在一定范圍內隨機變化—通常在其基本開關頻率的±10%范圍內。假設分析儀使用120kHz分辨率帶寬進行準峰值檢測，那么除了開關頻率基波和幾個高次諧波外，開關能量在任何單個中心頻率下都只出現(xiàn)一段時間。
表1. MAX9759的輻射數(shù)據(jù)（MAX9759EVKIT，擴譜調制模式下使用3"雙絞線揚聲器電纜并且“無濾波器”）

結論

D類放大器的近似滿擺幅轉換特性和快速開關頻率會產(chǎn)生較強的射頻輻射和干擾。在揚聲器等發(fā)聲裝置重現(xiàn)音頻內容之前，一般都需要使用龐大且昂貴的LC濾波器來降低這種高頻干擾。但是現(xiàn)在，如果采用有效的PCB布局以及短的揚聲器電纜，Maxim的擴譜調制技術可以真正實現(xiàn)低功率應用的“無濾波器”工作。

1若需了解準峰值檢測的更多詳情，請參考國際電工委員會下屬的國際無線電干擾特別委員會（CISPR）出版的Reference Publication 16.

附錄

濾波拓撲概況用于D類功率放大器的濾波器拓撲共有三種：（1） FB-C，鐵氧體磁珠和電容；（2） LC，電感和電容；以及（3） “無濾波器”。某個特定設計應該選擇哪種濾波技術，取決于應用的揚聲器電纜長度和PCB布局。下面是這三種濾波器拓撲的優(yōu)缺點：

FB-C濾波

如果揚聲器電纜長度適中，F(xiàn)B-C濾波足以滿足EMI限制。與LC濾波相比，F(xiàn)B-C濾波方案更為精簡，成本效益更高。但是，由于只能在頻率大于10MHz的情況下生效，F(xiàn)B-C濾波的應用范圍受到很大的限制。而且，在頻率低于10MHz的情況下，如果揚聲器電纜走線不合理，也會導致傳導輻射超標。

LC濾波

相比之下，LC濾波可以在頻率大約為30kHz的情況下即開始起到抑制作用。當某設計中所用的電纜線較長，而PCB布局又不是很好時，LC濾波無疑是一個“保險的”選擇。但是，LC濾波需要昂貴而龐大的外部元件，這顯然不適合便攜式設備。而且，當頻率大于30MHz，主電感會自諧振，還會需要額外的元件來抑制電磁干擾。

“無濾波器”濾波

“無濾波器”放大器拓撲是最具成本效益的方案，因為它省去了額外的濾波元件。采用較短的雙絞線揚聲器電纜時，D類放大器完全可以滿足電磁兼容性標準。但是，和FB-C濾波一樣，如果揚聲器電纜走線不合理，可能出現(xiàn)傳導輻射超標。還需注意，Maxim的D類放大器也可以實現(xiàn)“無濾波”工作，只要在放大器的開關頻率下?lián)P聲器是感性負載。在輸出電壓進行轉換時，轉換頻率下的大電感值可使過載電流保持相對恒定。